УДК 628.1.033

Удаление железа в питьевых водах. Станция обезжелезования

Малахина Анна Сергеевна – магистрант Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.

Аннотация: В статье проводитсяанализ проблемы повешенного железа в питьевых водах. Метод ее очистки с помощью станции обезжелезивания и результаты ее работы.

Ключевые слова: станция обезжелезивания, общее железо, питьевая вода, скважина.

Введение

Во многом на качество воды в источниках водоснабжения зависит от того, какое процент соединений железа в ней содержится. Для бытовых, питьевых, а также промышленных целей должна использоваться вода, в которой показатели содержания железа соответствуют нормативам. Но далеко не все источники содержат такую воду.

Соединения железа в воде могут находится в 4-х формах. К ним относятся:

• Железо двухвалентное. Оно растворено в воде, поэтому не может быть обнаружено невооруженным взглядом. Когда такое железо контактирует с воздухом, оно превращается в трехвалентное. Визуально это отражается в том, что вода приобретет рыжеватый оттенок.
• Железо трехвалентное. Оно присутствует в воде в нерастворенном состоянии, то есть можно визуально увидеть мелкие рыжие частицы. Если вода долго стоит в неподвижном состоянии, железо выпадает в осадок.
• Железо коллоидное. Оно обнаруживается в воде во взвешенном нерастворенном состоянии. Такое железо окрашивает воду в рыжий оттенок, но в отличие от трехвалентного не образует осадка.
• Железо бактериальное. Это мертвые и живые бактерии, которые образуют внутри трубопроводов и сантехники вязкий и мягкий слизистый слой.

Применение воды, в которой повышена концентрация соединений железа, может приводить к ряду негативных последствий:

• появлению проблем в работе органов ЖКТ, сердечно-сосудистой и мочеиспускательной систем организма;
• образованию на коже раздражений и признаков аллергии;
• появлению на сантехнике, постиранном белье ржавых пятен;
• коррозийному повреждению трубопроводов;
• уменьшению сроков службы сантехнических приборов и бытовой техники.

Поэтому в рамках всегда актуальной проблемы очистки питьевой воды большое значение имеет ее обезжелезивание.

Железо в питьевой воде

Население Выксунского района получает питьевую воду из подземных артезианских скважин.

Они отличаются большой глубиной, проходят через разные слои породы и водоносные горизонты, доходя самого глубокого. В этом слое вода полностью лишена органических примесей, в ней нет возбудителей различных заболеваний и микроорганизмов. Чистота воды – ключевой плюс артезианских скважин, который серьезно отличает их от колодцев. Также скважины никогда не пересыхают, даже в самые засушливые месяцы. В них не попадают нитраты и прочие химические вещества с поверхности земли.

Но вне зависимости от глубины залегания подземных вод в них все равно есть различные химические соединения. Поэтому ее состав нужно постоянно проверять на соответствие нормативным требованиям.

В нашем округе водоснабжение организовано от централизованных систем, в которые входят узлы водозабора и водопровод. За эксплуатацию скважин и распределение выкачиваемой из них воды по водопроводным сетям отвечает преимущественно АО «Выксунский водоканал»

Данная организация обеспечивает обслуживание 43 артезианских скважин, большинство из которых расположено в Выксе, а также 420 км линий трубопровода холодного водоснабжения. В целом качество воды в подземных источниках этого района является хорошим, что отличает его от соседних районов, в частности, от Навашинского, где содержание железа и марганца выше, чем в воде Выксунского водоканала. Однако в некоторых скважинах, включая те, которые обслуживает водоканал Выксунского района, вода не соответствует требованиям СанПиН 1.2.3685-21 по содержанию железа.

В скважинах содержится 0,26 мг/дм3 железа, что не соответствует санитарным нормам РФ для питьевой воды, установленным на уровне 0,3 мг/дм3. В ходе эксплуатации водопроводных сетей было выяснено, что вода из скважин является агрессивной к стальным трубам распределительной сети из-за присутствия растворимого газа СО2, который активирует процессы коррозии. Под воздействием металла и слабой кислоты концентрация железа значительно повышается при движении воды от скважин к потребителю.

Ухудшение качества воды в скважинах также происходит в случае отключения электроэнергии, проведения ремонтных работ и наличия тупиковых линий ХВС. Проблему усугубляет следующие факторы:

• Большой уровень износа трубопроводов.
• Неучтенные расходы холодной воды, такие как утечки и неисправности на центральных и частных линиях ХВС, несанкционированные подключения потребителей и использование воды из водозаборных колонок для заполнения резервуаров, полива огородов и мойки машин.
• Снижение давления воды в пиковые часы из-за неправильных диаметров трубопроводов и наличия тупиковых линий.
• Несоблюдение необходимых меры охранного режима для 2-го и 3-го поясов зон санитарной защиты скважин, особенно в отношении центральной канализации частного сектора.

Кроме того, происходит застройка зон санитарной охраны.

Одной из важнейших мер по улучшению качества водоснабжения является установка станции очистки воды на насосной станции. На этом объекте вода проходит все этапы очистки, включая удаление железа до параметров, предусмотренных СанПиН, и уже очищенной подается в водопровод.

Станция обезжелезивания

Назначение станции обезжелезивания заключается в очистке воды из артезианской скважины и доведение ее до такого состояния, когда в ней содержится не более 0,3 мг/дм³ионов железа.

Обработка воды осуществляется следующим образом: сначала она насыщается кислородом (аэрация) с помощью простейших устройств, а затем прогоняется через скорые фильтры. Фильтры по конструкции делятся на напорные и безнапорные. Аэрация производится перед каждым фильтрующим элементов или одновременно в общем аэрационном устройстве. На рисунке 1 можно увидеть типовую схему фильтра для станции обезжелезивания воды.

Рисунок 1. Фильтр обезжелезивания воды: 1 - подача исходной воды; - отвод фильтрата; 3 - подача промывной воды; 4 - отвод промывной воды; 5 - поддерживающие слои фильтра; 6 - фильтрующий материал; 7 - воздушник; 8 - желоб; опорожнение фильтра.

В этом фильтре вода насыщается кислородом из атмосферного воздуха путем излива из воронки с высоты порядка 50-60 см. Когда вода падает с такой высоты, содержание кислорода в ней повышается до 5-7 мг/л. В этом же время из воды частично удаляется растворенный CO2. Воронка находится в кармане фильтрующей установки.

По окончанию процесса аэрации проводятся реакции гидролиза и окисления. В момент окисления 1 мг железа производится 1,6 мг свободного CO2, а общий показатель щелочи в воде снижается на 0,043 мг-экв. Также есть метод упрощенной аэрации, при котором ионы двухвалентного железа окисляются, а образующиеся соединения задерживаются фильтром. Реакции гидролиза и окисления в этом случае происходят одновременно на зернах фильтрующего слоя.

В процессе задержания частиц железа важная роль отдается катализа и адсорбции. Без них невозможно образование крепки связей между гидроксидами и зернами фильтрующего слоя, а значит и стабильная, независимая от гидродинамических условий процедура фильтрования. На зернах формируется пленка из соединений железа, которая выступает в роли катализатора. Мы изучили химический состав этой пленки и выяснили, что в основном она состоит из двух- и трехвалентного железа. В ней присутствует 8-10% закисного железа, если фильтрование проводилось безнапорным способом, 20-25%, если напорным.

Удаление излишков железа из воды в загрузке с пленкой относится к группе автокаталитических гетерогенных процессов. В этом случае обновление пленки-катализатора при работе фильтра идет непрерывно. Обязательным условием здесь является наличие кислорода, в противном случае процесс образование пленки прекращается. Достаточный уровень обезжелезивания достигается после того, как на зернах загрузки определенная масса каталитической пленки. Срок ее накопления называют временем зарядки фильтрующего элемента

Описанный нами метод больше всего подходит для очистки подземных вод со следующими показателями:

• общее содержание железа – до 10 мг/л;
• содержанием двухвалентного железа – до 70%;
• содержание сероводорода – до 2 мг/л;
• уровень щелочности – не менее (1+[Fe2+]/28) мг-экв/л;
• уровень кислотности – от 6,8.

Фильтрация при очистке воды обычно производится сверху вниз. Для загрузки чаще всего применяют кварцевый песок или дробленые горные породы. Рекомендуется использовать тяжелые породы, чтобы в процессе промывки их частицы легко отделялись от хлопьев железа. Для эффективной очистки фильтров подходит промывка водой и воздухом.

Анализ измерения массовой концентрации общего железа

Массовая концентрация общего железа в воде анализируется по 2-м точкам отбора:

• в скважине до очистной станции;
• после прохождения воды через станцию очистки.

При использовании фотометрического метода массовая концентрация общего железа определяется через анализ образования C₇H₆O₆S или ее натриевой соли при контакте окрашенных комплексных соединений с солями железа.

В ходе анализа в лаборатории проба приобретает желтый оттенок, интенсивность которого зависит от уровня содержания железа в воде. На рисунке 2 показаны пробы с ярко выраженной разницей цвета.

Рисунок 2. Визуальная окраска пробы по содержанию железа.

Результаты анализа можно увидеть в таблице № 1.

Таблица 1. Результаты лабораторного анализа по измерению массовой концентрации общего железа.

Заключение

По результатам выполненного исследования было выявлено, что к преимуществам метода упрощенной аэрации с последующим фильтрованием стоит отнести технологическую надежность, простоту обслуживания оборудования, низкую стоимость очистных работ, обработку воды без использования реагентов.

Процесс обезжелезивания требует обязательного наличия окислителя. Самым доступным из них является кислород атмосферного воздуха. Для насыщения поступающей из скважины воды кислород подается компрессорами, расположенными перед фильтром. Чтобы обеззаразить воду, используется гипохлорит натрия. Хлор и его производные убивают бактерий путем окисления веществ, которые содержатся в протоплазме клеток. Также хлор окисляет органические вещества. После промывки фильтров вода поочередно поступает в резервуары, в это же время флокулянт (высокомолекулярное вещество, которое ускоряет процесс формирования и укрупнения сгустков гидроокиси железа) поступает в поток промывных вод. Далее промывная вода концентрируется в емкостях, где проходит процедуру отстаивания от 4-х часов и более. Затем отстоявшийся осадок переходит на узел обезвоживания, а осветленная вода попадает в канализацию.

Список литературы

1. Мур Д.В. Тяжелые металлы в природных водах / Д.В. Мур, С. Рамамурти. - М.: Мир, 1987. - 376 с.
2. Мур Д.В. Тяжелые металлы в природных водах: контроль и оценка влияний / Д. В. Мур. - М.: Наука, 1987. - 426 с.
3. Болотов В.П. Оценка содержания и миграции тяжелых металлов в экосистемах волгоградского водохранилища. дис....канд.биолог. наук: 03.02.08./ Болотов Владимир Петрович. - Москва, 2015. - 120 с.
4. Таубе П.Р., Баранова А.Г. Химия и микробиология воды: Учебник для студентов вузов / П.Р. Таубе, А.Г. Баранова. - М.: Высш.шк., 1983 .- 280 с.